泡桐（Paulownia）是玄参科泡桐属落叶乔木，在中国分布广泛，约有 5 亿株，年产木材约 500 万 m3，是一种短中期速生经济树种。泡桐采伐后，树干可长出新芽，具有再生性，为能源行业和木材工业提供了可持续的木材来源。然而，泡桐抚育采伐和木材加工过程中，枝丫材及加工剩余物（如锯末）得不到充分的利用，且秋季落叶处置不当，会造成资源浪费和环境污染。因此，采用切实可行的工艺，充分利用泡桐剩余物资源具有重要的现实意义。生物炭是指在无氧或者限氧的条件下，将生物质原料经高温热解得到的炭化产物。其原料包括农林业废弃物、动物粪便、生活垃圾和污泥等 。生物炭的用途十分广泛，如可用于固碳、土壤改良、废水净化和新材料开发等，受到中国政府的高度重视和支持。生物炭的功能取决于其理化性质，并受到原料类型和热解工艺的影响。而对于特定的原料，其性质与热解温度显著相关(P<0.05)。随热解温度的升高，生物炭的比表面积、孔隙度、pH 和碳含量会逐渐增大，而挥发性物质含量、阳离子交换量值会逐渐减少。目前，国外已有关于泡桐生物炭制备及应用的研究。VAUGHN等将泡桐生物炭用作园艺植物土壤的修复剂。PETERSON 等将泡桐生物炭与二氧化硅共同研磨作为炭黑的直接替代品，应用于轮胎工业。因此，泡桐生物炭制备及应用具有广阔的发展前景。在国内，泡桐生物炭的研究尚缺。因此，本研究以泡桐剩余物的 3 个部分（树皮、去皮枝条、树叶）为原料，在不同热解温度下制备生物炭，通过热重分析和物理吸附分析，利用 Frenkel-Halsey-Hill（FHH）方程计算分形维数，探讨泡桐生物炭的炭化热解过程和孔隙结构特征，为泡桐生物炭的制备和应用提供理论依据。
     结论与讨论 本研究中，TG 分析结果表明，3 种原料的热解过程相似且存在 3 个阶段，分别为 30～150℃的水分蒸发阶段、150~500℃的快速热解阶段、500~850℃的平缓热解阶段，与高飞飞等对水曲柳凋落物在氮气氛围下的 TG 结果相似。随热解温度的升高，3 种生物炭的产率均显著下降(P<0.05)，这与 ZHANG 等关于不同热解温度下农作物秸秆制备生物炭的产率相似。 THOMMES 等将吸附等温线分为微孔填充区、单层吸附区、多层吸附区和毛细管凝聚区四个区，并指出Ⅱ类与Ⅲ类吸附等温线最明显的区别是，Ⅱ类吸附等温线存在曲线快速上升的微孔填充区。在本研究中，随热解温度的升高，3 种生物炭的吸附等温线均由Ⅲ类回滞环为 H3 型转变为Ⅱ类回滞环为 H4 型，这表明提高热解温度可以促进材料微孔结构的发育。而 PBB 在 500℃时即发生转变，早于其他 2 种生物炭，可能与其微孔结构较多有关。 随热解温度的升高，3 种生物炭的比表面积不断增大，微孔比例逐渐提升。在 500℃时，PBB 已有较大的比表面积，而其他 2 种炭在 700℃才显著增大。BLANCO 等研究表明，纤维素、半纤维素、木质素等成分的高温分解会产生焦油，堵塞生物炭的孔隙。PÜTÜN 等发现，焦油释放量会在 500℃达到最大值，而在 700℃，由于木质素的分解，小分子碳氢化合物和轻质气体的快速释放使得堵塞的孔重新打开。因此，热解过程中产生的焦油堵塞了生物炭的孔隙结构，可能是 PBB 的比表面积与其他 2 种炭比表面积及孔径变化不同的原因。 热解温度升高，3 种生物炭的分形维数值 D 1 和 D 2 均不断增大。付仲毅等研究表明，高热解温度导致生物炭孔隙结构的复杂程度有所增加，生物炭表面更加粗糙。常秋连等发现，分形维数与 BET 比表面积、总孔体积、平均孔径不存在直接关系，但是与微孔占比存在较好的一致性。因此，热解温度和微孔结构的发育情况，可能是导致 3 种泡桐生物炭分形维数差异的主要原因。 综上所知，3 种泡桐原料的热解过程相似且存在 3 个阶段，且随热解温度的升高，泡桐生物炭产率不断下降，各温度下均以 PBB 的产率最低；3 种生物炭的吸附等温线类型均经历了由Ⅲ类回滞环 H3 型转变为Ⅱ类回滞环 H4 型的过程；热解温度对泡桐生物炭的比表面积和孔径有显著影响。在较高热解温度下，生物炭材料孔隙结构更加复杂，分形维数趋近于 3，孔道表面更加粗糙。 |
不同热解温度泡桐生物炭孔隙结构及其差异
时间：2021-06-02 来源： 作者：
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